Obsah:
0
Informace o projektu
5
Úvod
6
Pokyny ke studiu
7
Literatura
9
Modul 1 MECHANIKA
10
1.1 Úvodní pojmy 1.1.1. Soustava fyzikálních veličin s jednotek 1.1.2. Skalární a vektorové fyzikální veličiny Klíč
1.2. Kinematika hmotného bodu 1.2.1. Hmotný bod, mechanický pohyb 1.2.2. Polohový vektor, trajektorie, dráha 1.2.3 Rychlost hmotného bodu 1.2.4. Zrychlení hmotného bodu 1.2.5. Přímočarý pohyb hmotného bodu 1.2.5.1. Rovnoměrný přímočarý pohyb 1.2.5.2. Rovnoměrně zrychlený (zpomalený) přímočarý pohyb 1.2.5.3. Volný pád 1.2.6. Pohyb hmotného bodu po kružnici 1.2.6.1. Rovnoměrný pohyb po kružnici 1.2.6.2. Rovnoměrně zrychlený (zpomalený) pohyb po kružnici Klíč
1.3. Dynamika 1.3.1. Síly 1.3.2. Newtonovy pohybové zákony 1.3.3. Síla v neinerciální soustavě 1.3.4. Hybnost tělesa a impuls síly Klíč
1.4. Práce, výkon, energie 1.4.1. Mechanická práce 1.4.2. Výkon 1.4.3. Mechanická energie Klíč
1.5. Gravitační pole 1.5.1. Newtonův gravitační zákon 1.5.2. Intenzita a potenciál gravitačního pole 1.5.3. Gravitace v okolí Země 1.5.4. Pohyb těles v blízkosti povrchu Země 1.5.5. Pohyb těles ve velkých výškách od povrchu Země 1.5.6. Keplerovy zákony Klíč 0
10 11 13 19 21 21 22 24 26 30 31 34 36 36 40 40 47 50 50 52 70 75 80 84 84 89 92 102 105 105 107 110 112 116 118 120
1.6. Dynamika tuhého tělesa 1.6.1. Pohyb tuhého tělesa, těžiště tělesa 1.6.2. Otáčivé účinky síly, moment síly, moment hybnosti 1.6.3. Skládání sil působících na těleso 1.6.4. Rovnováha tuhého tělesa 1.6.5. Kinetická energie tuhého tělesa 1.6.6. Moment setrvačnosti 1.6.7. Pohybová rovnice rotujícího tělesa, rotační impuls 1.6.8. Práce a výkon při rotaci 1.6.9. Struktura a deformace pevné látky 1.6.9.1. Struktura pevných látek 1.6.9.2. Deformace pevného tělesa 1.6.9.3. Normálové napětí, Hookův zákon Klíč
1.7. Mechanické kmitání 1.7.1. Kmitavý pohyb netlumený 1.7.1.1. Rovnice netlumeného kmitavého pohybu 1.7.1.2. Rychlost a zrychlení netlumeného kmitavého pohybu 1.7.1.3. Energie netlumeného kmitavého pohybu 1.7.1.4. Matematické kyvadlo 1.7.1.5. Fyzické kyvadlo 1.7.2. Tlumené kmity 1.7.2.1. Rovnice tlumeného kmitavého pohybu 1.7.2.2. Energie tlumeného kmitavého pohybu 1.7.3. Kmity vynucené 1.7.4. Skládání kmitů 1.7.4.1. Skládání kmitů stejného směru 1.7.4.2. Skládání kolmých kmitů Klíč
1.8. Mechanické vlnění 1.8.1. Popis mechanického vlnění 1.8.1.1. Rychlost šíření vlnění 1.8.1.2. Matematické vyjádření okamžité výchylky postupné vlny 1.8.1.3. Fázový a dráhový rozdíl 1.8.1.4. Energie vlnění 1.8.1.5. Vlnová rovnice 1.8.2. Interference vlnění 1.8.2.1. Stojaté vlnění 1.8.2.2. Odraz vlnění 1.8.2.3. Huygensův princip 1.8.2.4. Zákon odrazu 1.8.2.5. Zákon lomu 1.8.2.6. Ohyb vlnění (stín) 1.8.3. Akustické vlnění 1.8.3.1. Zvuk 1.8.3.2. Rychlost šíření akustického vlnění 1.8.3.3. Akustický tlak 1.8.3.4. Intenzita zvuku 1.8.3.5. Hladiny akustické intenzity, akustického tlaku a akustického výkonu 1
122 123 128 132 136 138 141 143 145 146 147 148 150 154 157 158 159 164 168 171 174 177 177 182 185 190 190 198 206 211 212 213 215 218 220 223 227 230 233 234 235 235 236 238 238 240 243 245 246
Klíč
251
Modul 2 TEKUTINY a TERMIKA
254
2.1. Tekutiny
2.2.1. Teplota a teplo 2.2.1.1. Základní poznatky kinetické teorie látek 2.2.1.2. Základní pojmy termodynamiky 2.2.1.3. Teplota jako fyzikální veličina a její měření 2.2.1.4. Teplotní roztažnost látek 2.2.1.5. Teplo, tepelné kapacity látek, kalorimetrická rovnice 2.2.1.6. Změny skupenství látky 2.2.2. Vnitřní energie termodynamické soustavy, práce a teplo 2.2.3. Ideální plyn, stavová rovnice Klíč
254 254 257 263 270 277 280 287 289 289 290 295 296 299 303 307 314 318 331
Modul 3 ELEKTROMAGNETICKÉ POLE
332
3.1. Elektrostatické pole
332 332 335 339 350 357 360 366 369 377 381 385 385 385 389 398 402 409 411 416 419 427 428 428
2.1.1. Tekutiny a tlak 2.1.2. Hydrostatický a atmosférický tlak, vztlaková síla 2.1.3. Povrchové napětí, kapilarita 2.1.4. Proudění ideální kapaliny 2.1.5. Vnitřní tření 2.1.6. Laminární a turbulentní proudění Klíč
2.2. Termika
3.1.1. Elektrický náboj 3.1.2. Coulombův zákon 3.1.3. Intenzita elektrostatického pole 3.1.4. Tok vektoru intenzity, Gaussův zákon elektrostatiky 3.1.5. Práce sil elektrostatického pole při přemisťování náboje 3.1.6. Potenciál elektrostatického pole, napětí 3.1.7. Elektrostatická indukce 3.1.8. Kapacita vodiče 3.1.9. Energie elektrostatického pole Klíč
3.2. Elektrický proud v kovových vodičích 3.2.1. Základní pojmy 3.2.2. Elektrický proud 3.2.3. Elektrický odpor, Ohmův zákon 3.2.4. Elektromotorické napětí 3.2.5. Práce a výkon elektrického proudu 3.2.6. Kirchhoffovy zákony 3.2.7. Termoelektrické jevy Klíč
3.3.Elektrolytické vedení proudu Klíč
3.4. Vedení proudu v plynech a ve vakuu 3.4.1. Vedení proudu v plynech 2
3.4.2. Vedení proudu ve vakuu Klíč
3.5. Vedení proudu v polovodičích 3.5.1.Vlastní a nevlastní polovodiče 3.5.2. Přechod p-n, dioda, tranzistor Klíč
3.6. Magnetické pole a jeho vlastnosti 3.6.1. Základní pojmy 3.6.2. Aplikace pohybu náboje v magnetickém poli 3.6.3. Síly na vodič, kterým prochází proud, v magnetickém poli Klíč
3.7. Magnetické pole elektrického proudu 3.7.1. Biotův-Savartův zákon 3.7.2. Ampérův zákon 3.7.3 Vzájemné silové působení dvou proudovodičů Klíč
3.8. Elektromagnetická indukce 3.8.1. Faradayův zákon elektromagnetické indukce, vzájemná a vlastní indukčnost 3.8.2. Otáčející se smyčka v magnetickém poli Klíč
430 435 436 436 439 444 445 445 446 451 458 459 459 463 467 470 471
3.11.1. Vznik a vlastnosti střídavých proudů 3.11.2. Obvody střídavých proudů Klíč
471 476 480 481 485 486 496 496 498 510
Modul 4 OPTIKA a ATOMOVÉ JÁDRO
511
4. 1. Vznik a základní vlastnosti elektromagnetických vln
511 511 516 523 527 529 529 532 542 555 568 575 578 578 588 596 602 606
3.9. Energie magnetického pole Klíč
3.10. Magnetické vlastnosti látek 3.11. Střídavé proudy
4.1.1. Vznik a šíření elektromagnetického vlnění 4.1.2. Šíření světla 4.1.3. Energie přenášená elektromagnetickými vlnami Klíč
4.2. Geometrická optika 4.2.1. Index lomu 4.2.2. Zákony odrazu a lomu 4.2.3. Optické zobrazení zrcadlem a čočkou 4.2.4. Základní optické přístroje 4.2.5. Fotometrie Klíč
4.3. Kvantové vlastnosti elektromagnetického záření 4.3.1. Fotony, fotoelektrický a Comptonův jev 4.3.2. Bohrův model atomu vodíku 4.3.3. Elektronová konfigurace v atomech 4.3.4. Rentgenové záření 4.3.5. Lasery 3
Klíč
4.4. Vlnové vlastnosti elektromagnetického záření 4.4.1. Interference 4.4.2. Difrakce 4.4.3 Polarizace elektromagnetické vlny 4.4.4. Holografie Klíč
4.5. Atomové jádro 4.5.1. Neutron – protonový model jádra 4.5.2 Transmutace prvků a jaderná energie 4.5.3. Radioaktivita 4.5.4. Zákon radioaktivní přeměny 4.5.5. Detekce a dozimetrie jaderného záření Klíč
4
611 614 614 621 633 640 643 646 646 653 663 667 672 680
Studijní opory s převažujícími distančními prvky pro předměty teoretického základu studia je název projektu, který uspěl v rámci první výzvy Operačního programu Rozvoj lidských zdrojů. Projekt je spolufinancován státním rozpočtem ČR a Evropským sociálním fondem. Partnery projektu jsou Regionální středisko výchovy a vzdělávání, s.r.o. v Mostě, Univerzita obrany v Brně a Technická univerzita v Liberci. Projekt byl zahájen 5.1.2006 a bude ukončen 4.1.2008. Cílem projektu je zpracování studijních materiálů z matematiky, deskriptivní geometrie, fyziky a chemie tak, aby umožnily především samostatné studium a tím minimalizovaly počet kontaktních hodin s učitelem. Je zřejmé, že vytvořené texty jsou určeny studentům všech forem studia. Studenti kombinované a distanční formy studia je využijí k samostudiu, studenti v prezenční formě si mohou doplnit získané vědomosti. Všem studentům texty pomohou při procvičení a ověření získaných vědomostí. Nezanedbatelným cílem projektu je umožnit zvýšení kvalifikace širokému spektru osob, které nemohly ve studiu na vysoké škole z různých důvodů (sociálních, rodinných, politických) pokračovat bezprostředně po maturitě. V rámci projektu jsou vytvořeny jednak standardní učební texty v tištěné podobě, koncipované pro samostatné studium, jednak e-learningové studijní materiály, přístupné prostřednictvím internetu. Součástí výstupů je rovněž banka testových úloh pro jednotlivé předměty, na níž si studenti ověří, do jaké míry zvládli prostudované učivo. Bližší informace o projektu můžete najít na adrese http://www.studopory.vsb.cz/. Přejeme vám mnoho úspěchů při studiu a budeme mít radost, pokud vám předložený text pomůže při studiu a bude se vám líbit. Protože nikdo není neomylný, mohou se i v tomto textu objevit nejasnosti a chyby. Předem se za ně omlouváme a budeme vám vděčni, pokud nás na ně upozorníte.
5
Úvod Vážení studující, dostáváte do rukou studijní materiál kurzu Fyzika pro bakaláře. Obsahem tohoto kurzu jsou čtyři části – moduly a to Mechanika, Hydromechanika a Nauka o teple, Elektřina a magnetizmus, Optika a atomové jádro. Kurz navazuje na kurz Základy fyziky. Materiály mají sloužit ke samostatnému studiu všem studentům, kteří mají ve svém bakalářském studijním programu předmět týkající se bakalářské fyziky. Kurz je k dispozici ve formě multimediálního CD nebo programu přístupného přes Internet. Obsahově se tyto materiály neliší, pouze LMS (Learning Management System), ke kterému se připojíte přes Internet, vám nabídne větší uživatelský komfort při kontaktu s tutorem a v organizačních záležitostech. Pro studium v době, kdy nemáte k dispozici počítač, byla jako doplňkový materiál vytvořena i textová verze tohoto materiálu. Celý kurz je napsán tak, abyste učivo zvládli pokud možno samostatně. Aby měla vaše práce smysl, musíte nad studovanou látkou přemýšlet a neučit se ji mechanicky nazpaměť. Důležité je, abyste látku doopravdy pochopili. To si ověříte i prostřednictvím kontrolních otázek, testových otázek a úloh k samostatnému řešení. Pro případ, že byste nebyli schopni sami bez pomoci překonat nějaký problém, máte v organizovaných kurzech k dispozici svého tutora. Než se pustíte do vlastního studia vybraných kapitol tohoto kurzu, přečtěte si prosím pozorně následující část příručky nazvanou Pokyny ke studiu. Obsahuje obecné informace i některé konkrétní detaily, jak s tímto materiálem pracovat (protože jednotlivé moduly zpracovávali různí autoři, může se jejich systém zpracování mírně lišit). Po Pokynech ke studiu následuje kapitolka Přehled učiva, kde se podrobněji dozvíte, jakým tématům se jednotlivé kapitoly modulu věnují. Studujete-li samostatně, tento přehled vám pomůže si vybrat kapitoly, které vás zajímají.
6
Pokyny ke studiu Každá kapitola tohoto modulu představuje poměrně krátkou část učiva, učební jednotku, kterou byste měli pokud možno studovat vcelku. Nemusíte však vždy nutně studovat všechny moduly a kapitoly. Zda je zvládnutí tématu některé kapitoly nezbytné pro pochopení kapitol dalších, zjistíte jednak v následujícím přehledu učiva, jednak po přečtení požadovaných předběžných znalostí na začátku každé učební jednotky. A samozřejmě v organizovaných kurzech bude stanoveno, které části jsou pro vás povinné. Učební jednotky mají následující strukturu. Nejdříve se seznamte se Studijními cíli. Studijní cíle určují, co byste se měli naučit absolvováním příslušné partie. Jsou to znalosti, které využijete při dalším studiu na vysoké škole a budete je potřebovat při studiu odborných předmětů. Pokud máte pocit, že uvedené věci již znáte, můžete danou kapitolu absolvovat poměrně rychle. Přesto doporučujeme ji celou nepřeskočit, ale ověřit si, že danou problematiku skutečně ovládáte, prostřednictvím kontrolních otázek a úloh k řešení. Pak následují úseky označené jako Studijní text. Zde naleznete výklad dané části učiva, doprovázený názornými obrázky, grafy, tabulkami a animacemi, případně i řešenými příklady. Procházejte jej nejlépe v pořadí, v jakém je sestaven. Mějte po ruce papír a tužku, dělejte si poznámky, provádějte odvození souběžně s výkladem. Soustřeďte se a v případě potřeby se vraťte, ale nesnažte se učit text ani jeho zvýrazněné pasáže (většinou žlutě podbarvené) nazpaměť. Definice a zákony byste měli být schopni formulovat vlastními slovy. Mějte na mysli studijní cíle, jichž chcete dosáhnout. Po zodpovězení následujících kontrolních otázek , testových otázek a vyřešení zadaných úloh zjistíte, nakolik jste tématu porozuměli a můžete pokračovat v dalším studiu. Do studijního textu bývají zařazeny Řešené příklady. Řešený příklad se pokuste nejprve vypočítat sami. Pokud to zvládnete, neměli byste mít problémy ani s dalšími úlohami. Pokud ne, nevadí, snažte se porozumět metodě řešení na tomto modelovém příkladu tak, abyste již samostatně zvládli následující úlohy. Kontrolní otázky jsou jak název napovídá otázkami, pomocí nichž si ověřujete pochopení dané látky. Ptají se na úseky právě prostudovaného studijního testu. Pokud nejste schopni odpovědět na tyto otázky, znovu si prostudujte příslušnou partii. Kontrolní otázky jsou průběžně zařazovány po uzavření logické části studijního textu. Po Kontrolních otázkách následují Testové otázky. Mají stejný účel jako kontrolní otázky, ověřit získané znalosti. Některé kontrolní otázky vám dávají možnost vybrat odpověď z nabízených variant, pak může být správná jedna nebo i více možností. Za zcela správnou odpověď je pak považována ta, která zahrnuje všechny správné a žádnou nesprávnou možnost. U dalších otázek máte odpověď sami doplnit, ať už slovně nebo jako výsledek s jednotkou či pouhou jednotku. Vždy si nejprve otázku sami zodpovězte, pak teprve se podívejte na správné řešení (vždy si promyslete, v čem jste případně udělali chybu, neporadíte-li si sami, kontaktujte svého tutora!) a postupte dále. 7
Úlohy k řešení byste už měli zvládnout vyřešit zcela sami. K řešení můžete podle potřeby používat kalkulátory a tabulky. Pište si poznámky, nejlépe do vyhrazeného sešitu. Nejprve vždy nalezněte obecné řešení (vzorec tvořený zadanými veličinami, případně i potřebnými fyzikálními konstantami), až nakonec dosaďte numerické hodnoty a vypočtěte numerický výsledek. Ten pak (není-li v zadání uvedeno jinak) vhodně zaokrouhlete a doplňte jednotku. Pak teprve si zkontrolujte řešení (není-li vaše odpověď zcela správná, vždy si promyslete, v čem jste udělali chybu, neporadíte-li si sami, kontaktujte svého tutora!) .
Klíč U kontrolních otázek a úloh k řešení nebuďte netrpěliví a nepokoušejte se bez vlastní snahy o řešení se ke správným výsledkům prostě „proklikat“, nebo si je rovnou číst v Klíči, který je u tištěné verze na konci kapitoly. Tak se nic nenaučíte. Po prostudování celé textové části je studijní jednotka uzavřena shrnutím. Mělo by obsahovat to, co je z celé kapitoly nejdůležitější. Nejdříve si vytvořte Vlastní shrnutí, to pište stručně, ale srozumitelně na papír nebo do vyhrazeného sešitu. Vaše shrnutí pak porovnejte se Vzorovým shrnutím a sami zhodnoťte, nakolik jste byli úspěšní. Ani v časové tísni nepodléhejte pokušení přeskočit všechny předchozí části a naučit se zpaměti pouze shrnutí. Takto fyzice (a nejen jí) nikdy neporozumíte a nebudete ji umět použít k řešení problémů, s nimiž se při studiu i v praxi setkáte. Jako doplněk jsou vám k dispozici fyzikální tabulky, tyto využívejte průběžně podle potřeby. Nakonec zhodnoťte vaši celkovou úspěšnost při řešení úloh a kontrolních otázek a zvažte, zda postoupit ve studiu dále, nebo si raději problematické pasáže ještě jednou zopakovat. Na závěr ještě pár technických poznámek k ovládání elektronické verze výukového programu: 1. On-line verzi výukového programu naleznete na http://rccv.vsb.cz/ . Pak v levé nabídce klikněte na LMS-iTutor4 a Studentský přístup, kde se již přihlásíte pod přiděleným jménem a heslem. 2. Po vložení CD do mechaniky se program obvykle automaticky spustí. Pokud se program „nerozběhne“ najděte si soubor „start.html“ a po jeho dvojím odkliknutí se program spustí. V obou případech k fungování programu potřebujete Internet Explorer a pokud nemáte nainstalovánu potřebnou komponentu přehrávače Flash, můžete si ji nainstalovat přímo pomocí nabídky na obrazovce. Po spuštění CD nebo přihlášení na stránku RCCV se Vám také může zobrazit následující hlášení:
8
V tomto případě prosím proveďte odblokování automaticky otevíraných oken. Další ovládání výukového programu je intuitivní.
Literatura Halliday.D.-Resnick,R.-Walker,J: Fyzika, Část 1 – Mechanika, Vutium Brno 2001. Halliday.D.-Resnick,R.-Walker,J: Fyzika, Část 2 – Mechanika - Termodynamika, Vutium Brno 2001. Halliday.D.-Resnick,R.-Walker,J: Fyzika, Část 3 – Elektřina a magnetismus, Vutium Brno 2001. Halliday.D.-Resnick,R.-Walker,J: Fyzika, Část 4 – Elektromagnetické vlny – Optika Relativita, Vutium Brno 2001. Fojtek,A.: Bakalářská fyzika pro HGF, VŠB-TU Ostrava, 2005 Sedlák, B.- Štoll, I. Elektřina a magnetismus. Praha: Academia, Praha, 2002. Kopečný, J.-Trojková, J-Kopečná, M.-Kušnerová, M.: Základy fyziky, CD, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 2006 Svoboda E. a kol.: Přehled středoškolské fyziky. Prométheus, Praha, 1996. Matematické, fyzikální a chemické tabulky VŠ i SŠ.
Poděkování Autoři touto cestou děkují za technickou pomoc Janu Kopečnému (moduly 1,3,5) a Vladimíře Rašnerové (modul 2) za provedení obrazové části a Ing. Adrianovi Kapiasovi za vytvoření animací a ikon. Spolupráce s nimi byla výborná.
9
